Operationeel versterkerintegratorcircuit: constructie, werking en toepassingen

Op-amp of operationele versterker is de ruggengraat van analoge elektronica en uit vele toepassingen, zoals sommerende versterker, differentiële versterker, instrumentatieversterker, op-amp kan ook worden gebruikt als integrator, wat een zeer nuttig circuit is in analoge gerelateerde toepassingen.

In eenvoudige Op-Amp-toepassingen is de output evenredig met de inputamplitude. Maar wanneer op-amp is geconfigureerd als een integrator, wordt ook rekening gehouden met de duur van het ingangssignaal. Daarom kan een op-amp-gebaseerde integrator wiskundige integratie uitvoeren met betrekking tot tijd. De integrator produceert een uitgangsspanning over de op-amp, die recht evenredig is met de integraal van de ingangsspanning; daarom is de output afhankelijk van de ingangsspanning gedurende een bepaalde periode.

Constructie en werking van Op-amp Integrator Circuit

Op-amp is een zeer veel gebruikte component in elektronica en wordt gebruikt om veel nuttige versterkercircuits te bouwen.

De constructie van een eenvoudig integratorcircuit met behulp van op-amp vereist twee passieve componenten en één actieve component. De twee passieve componenten zijn weerstand en condensator. De weerstand en de condensator vormen een laagdoorlaatfilter van eerste orde over de actieve component Op-Amp. Integratorcircuit is precies het tegenovergestelde van Op-amp differentiatorcircuit.

Een eenvoudige Op-amp-configuratie bestaat uit twee weerstanden, die een feedbackpad creëren. In het geval van een Integrator-versterker wordt de feedbackweerstand veranderd met een condensator.

In de bovenstaande afbeelding wordt een basisintegratorcircuit getoond met drie eenvoudige componenten. De weerstand R1 en condensator C1 zijn over de versterker geschakeld. De versterker is in inverterende configuratie.

Op-amp-versterking is oneindig, daarom is de inverterende ingang van de versterker een virtuele aarde. Wanneer een spanning wordt aangelegd over de R1, begint de stroom door de weerstand te lopen, aangezien de condensator een zeer lage weerstand heeft. De condensator is aangesloten in de feedbackpositie en de weerstand van de condensator is onbeduidend.

Als in deze situatie de versterkingsverhouding van de versterker wordt berekend, is het resultaat kleiner dan de eenheid. Dit komt doordat de versterkingsverhouding X _C / R ₁ te klein is. Praktisch gezien heeft de condensator een zeer lage weerstand tussen de platen en wat de waarde R1 ook is, het uitgangsresultaat van X _C / R ₁ zal erg laag zijn.

De condensator begint op te laden door de ingangsspanning en in dezelfde verhouding begint ook de condensatorimpedantie toe te nemen. De oplaadsnelheid wordt bepaald door de RC-tijdconstante van R1 en C1. De virtuele aarde van de op-amp wordt nu belemmerd en de negatieve feedback zal een uitgangsspanning over de op-amp produceren om de virtuele aarde-toestand over de ingang te behouden.

De Op-amp produceert een ramp-uitgang totdat de condensator volledig is opgeladen. De condensator laadstroom neemt af onder invloed van het potentiaalverschil tussen de virtuele aarde en de negatieve uitgang.

Berekening van de uitgangsspanning van het op-amp-integratorcircuit

Het volledige mechanisme dat hierboven is uitgelegd, kan worden beschreven met behulp van wiskundige formatie.

Laten we de bovenstaande afbeelding eens bekijken. De iR1 is de stroom die door de weerstand vloeit. De G is de virtuele grond. De Ic1 is de stroom die door de condensator vloeit.

Als de huidige wet van Kirchhoff wordt toegepast op knooppunt G, wat een virtuele aarde is, is de iR1 de som van de stroom die binnenkomt in de inverterende terminal (op-amp-pin 2) en de stroom die door de condensator C1 gaat.

iR ₁ = i _{inverterende terminal} + iC ₁

Omdat de op-amp een ideale op-amp is en het G-knooppunt een virtuele aarde is, loopt er geen stroom door de inverterende terminal van de op-amp. Daarom i _{inverterende terminal} = 0

iR ₁ = iC ₁

De condensator C1 heeft een spanning-stroomverhouding. De formule is -

Ik _C = C (dV _C / dt)

Laten we deze formule nu toepassen in een praktisch scenario. De

Het basisintegratorcircuit, dat eerder is getoond, heeft een nadeel. De condensator blokkeert de DC en hierdoor wordt de DC-versterking van het Op-Amp-circuit oneindig. Daarom verzadigt elke gelijkspanning aan de Op-amp-ingang de Op-amp-uitgang. Om dit probleem op te lossen, kan weerstand parallel met de condensator worden toegevoegd. De weerstand beperkt de DC-versterking van het circuit.

De Op-Amp in Integrator-configuratie biedt verschillende uitvoer in een ander type veranderend invoersignaal. Het uitgangsgedrag van een Integrator-versterker is in elk geval verschillend van sinusgolfingang, blokgolfingang of driehoekige golfingang.

Op-amp Integrator Gedrag op Square Wave-invoer

Als de blokgolf wordt geleverd als invoer voor Integrator Amplifier, zal de geproduceerde uitvoer een driehoekige golf of zaagtandgolf zijn. In dat geval wordt het circuit een ramp-generator genoemd. In blokgolf veranderen de spanningsniveaus van laag naar hoog of van hoog naar laag, waardoor de condensator wordt opgeladen of ontladen.

Tijdens de positieve piek van de blokgolf begint de stroom door de weerstand te lopen en in de volgende fase gaat de stroom door de condensator. Omdat de stroom door de op-amp nul is, wordt de condensator opgeladen. Het omgekeerde zal gebeuren tijdens de negatieve piek van de blokgolfinvoer. Voor een hoge frequentie krijgt de condensator een zeer minimale tijd om volledig op te laden.

De laad- en ontlaadsnelheid is afhankelijk van de combinatie van weerstand en condensator. Voor een perfecte integratie moet de frequentie of de periodieke tijd van de vierkante ingangsgolf kleiner zijn dan de circuittijdconstante, die wordt aangeduid als: T moet kleiner zijn dan of gelijk zijn aan de CR (T <= CR).

Een blokgolfgeneratorcircuit kan worden gebruikt om blokgolven te produceren.

Op-amp Integrator Gedrag op sinusgolfinvoer

Als de invoer over een op-amp-gebaseerd integratorcircuit een sinusgolf is, produceert de op-amp in integratorconfiguratie een sinusgolf van 90 graden uit fase over de uitgang. Dit wordt een cosinusgolf genoemd. In deze situatie, wanneer de ingang een sinusgolf is, werkt het integratorcircuit als een actief laagdoorlaatfilter.

Zoals eerder besproken, produceert de condensator in lage frequentie of in gelijkstroom een blokkeerstroom die uiteindelijk de terugkoppeling vermindert en de uitgangsspanning verzadigt. In dat geval is een weerstand parallel geschakeld met een condensator. Deze toegevoegde weerstand zorgt voor een feedbackpad.

In de bovenstaande afbeelding is een extra weerstand R2 parallel geschakeld met de condensator C1. De uitgangssinusgolf is 90 graden uit fase.

De hoekfrequentie van het circuit zal zijn

Fc = 1 / 2πCR2

En de totale DC-versterking kan worden berekend met -

Winst = -R2 / R1

Sinusgolfgeneratorcircuit kan worden gebruikt om sinusgolven voor integratorinvoer te genereren.

Op-amp Integrator Gedrag op driehoekige golfingang

Bij driehoeksgolfinvoer produceert de op-amp opnieuw een sinusvormige golf. Omdat de versterker als een laagdoorlaatfilter werkt, worden de hoogfrequente harmonischen aanzienlijk verminderd. De uitgangssinusgolf bestaat alleen uit laagfrequente harmonischen en de uitgang zal een lage amplitude hebben.

Toepassingen van Op-amp Integrator

Integrator is een belangrijk onderdeel van de instrumentatie en wordt gebruikt bij het genereren van ramps.
In functiegenerator wordt het integratorcircuit gebruikt om de driehoekige golf te produceren.
Integrator wordt gebruikt in golfvormingscircuits zoals een ander soort ladingsversterker.
Het wordt gebruikt in analoge computers, waar integratie nodig is met behulp van het analoge circuit.
Integratorcircuit wordt ook veel gebruikt in analoog naar de digitale omzetter.
Verschillende sensoren gebruiken ook een integrator om nuttige outputs te reproduceren.